难纯化聚合物的处理方法：以随机聚乙二醇（rPEG）的硫酸铵沉淀为无定形与柔性聚合物的原型

《ACS Macro Letters》：How to Handle Hard-to-Purify Polymers: Ammonium Sulfate Precipitation of rPEG as a Prototype for Amorphous and Flexible Polymers

　　

本研究提出了一种简便且高效的方法，通过硫酸铵沉淀法（ammonium sulfate precipitation, ASP）纯化无定形和半结晶、柔性亲水性聚合物。ASP是蛋白质纯化中常用的技术，其利用高离子强度下的盐析效应（salting-out effect），使水溶性聚合物沉淀，而将其他物质保留在溶液中。研究人员成功采用ASP纯化了由环氧乙烷（ethylene oxide, EO）与外消旋甲基缩水甘油醚（glycidyl methyl ether, GME）构成的无定形和半结晶共聚物，即随机聚乙二醇（randomized PEG, rPEG）。该后处理直接自有机反应介质中进行，分离收率最高可达97%，同时能够高效去除溶剂、低摩尔质量杂质以及合成过程中产生的盐类。分离所得聚合物的高纯度通过核磁共振波谱（NMR spectroscopy）、体积排阻色谱（size-exclusion chromatography, SEC）、质谱（mass spectrometry, MS）和原子吸收光谱（atomic absorption spectrometry, AAS）得到证实。鉴于其成本效益高且实施迅速，ASP可作为透析（dialysis）和高压液相色谱（high-pressure liquid chromatography, HPLC）等传统纯化方法的可行替代方案，并且有望扩展用于rPEG之外的多种亲水性聚合物纯化，例如生物医学应用相关材料。

该论文发表于《ACS Macro Letters》，聚焦于柔性亲水聚合物、尤其是难以通过常规沉淀法实现高效分离材料的纯化难题。聚合物纯化是高分子合成与应用转化中的关键环节，尤其对于新型生物医用高分子材料而言，残余溶剂、低摩尔质量副产物和无机离子杂质都会显著影响材料性能、安全性和后续应用。传统的非溶剂沉淀法通常依赖聚合物结晶能力或较高玻璃化转变温度（T_g）来驱动析出，但对于无定形、柔性、低T_g聚合物，这一路径常常不适用。另一方面，制备型高压液相色谱（HPLC）和透析虽然能够实现纯化，但普遍存在耗时长、成本高、设备要求高以及材料损失明显等问题。尤其是在二甲基亚砜（DMSO）、N-甲基-2-吡咯烷酮（NMP）、N,N-二甲基甲酰胺（DMF）和N,N-二甲基乙酰胺（DMAc）等高沸点极性溶剂广泛用于聚合物合成的背景下，如何在保证高纯度的同时高效去除这些溶剂，成为亟待解决的共性问题。因此，研究人员引入蛋白质纯化中经典的硫酸铵沉淀法（ASP），尝试将其拓展为适用于无定形和半结晶亲水性聚合物的后处理新策略。

研究人员选择随机聚乙二醇（rPEG）作为模型体系开展验证。rPEG是环氧乙烷（EO）与甲基缩水甘油醚（GME）的理想无规统计共聚物P(EO-co-GME)，也是聚乙二醇（PEG）的构造异构体。该体系之所以适合作为研究对象，在于EO/GME组成比能够系统调控其结构和热学性质：低GME含量样品呈现半结晶行为，而当GME含量超过25 mol %时，则转变为完全无定形聚合物。由此可在同一体系内同时考察ASP对半结晶和无定形柔性聚合物的适用性。此外，rPEG本身在生物医学应用中被视为PEG的非抗原性替代材料，也适合用于需要降低结晶性的先进材料体系，因此其高效纯化具有现实意义。

在方法上，研究人员通过阴离子开环聚合（anionic ring-opening polymerization, AROP）在DMSO中合成了一系列rPEG样品，目标GME含量覆盖10–50 mol %，摩尔质量范围为2–10 kg mol^–1。随后将终止后的聚合反应液直接进行ASP后处理：先加入25 wt %硫酸铵水溶液诱导形成水相双相体系（aqueous two-phase system），再经离心加速分层，移除下层富盐相；随后重复两轮、并在后两轮使用43 wt %饱和硫酸铵溶液强化纯化；最终以二氯甲烷（DCM）萃取聚合物富集相，并通过蒸发与冷冻干燥获得纯化产物。纯化效果通过¹H NMR、¹³C NMR、二维[¹H,¹³C] NMR、基质辅助激光解吸电离飞行时间质谱（MALDI-ToF MS）、SEC、AAS以及靛酚蓝（Berthelot）法铵含量检测综合评价，并与Celite过滤/快速色谱和透析方法进行比较；此外还考察了DMF、乙醇、甲醇等其他有机溶剂体系中的适用性。

关于技术方法的简要概括如下：研究人员首先采用AROP在DMSO中制备不同组成和摩尔质量的rPEG系列样品；其次建立基于ASP的三步后处理流程，通过不同浓度硫酸铵诱导聚合物盐析分相，并结合离心、DCM萃取、蒸发和冷冻干燥完成样品分离；最后利用NMR、MALDI-ToF MS、SEC、AAS及Berthelot法对纯度、摩尔质量分布、离子残留与铵残留进行系统表征，同时与透析和Celite过滤等工艺进行对照评估。

Thermal characterization of systematically varied rPEGDPGME
研究人员首先建立了不同组成rPEG的材料谱系，并通过差示扫描量热法（DSC）显示其热学行为随GME摩尔分数变化而系统转变。低GME含量rPEG表现出半结晶特征，而GME比例升高至25 mol %以上后，样品转为完全无定形。该结果说明，所选模型体系覆盖了从半结晶到无定形的连续结构区间，为评价ASP对不同结晶性柔性亲水聚合物的适用性奠定了基础。同时，研究人员示意了ASP形成的水相双相体系：上层为富聚合物相，下层为富盐相，这一分相结构构成了后续杂质去除的物理基础。

Purification performance of ASP
在纯化性能方面，ASP可直接作用于含DMSO的聚合反应液，无需预先彻底除去有机溶剂。经三轮沉淀与分相处理后，研究人员获得了65%至97%的分离收率。结果表明，较高摩尔质量样品具有更高收率，这与聚合度升高后混合Gibbs自由能降低、相分离更有利有关。同时，GME含量增加时收率略有提高，提示侧链带来的分子内与分子间疏水相互作用可能增强盐析倾向。更重要的是，纯化效率主要受聚合物摩尔质量和亲水性影响，而并非主要取决于其结晶性。这一发现说明ASP不仅适用于半结晶rPEG，也适用于完全无定形的柔性亲水聚合物。

NMR and compositional analysis of purified polymers
核磁共振分析清晰证明了ASP的去杂能力。以rPEG1230.51为代表，粗产物的¹H NMR谱中除共聚物信号外，还可见DMSO及其他小分子杂质信号；经ASP处理后，样品谱图仅保留共聚物特征峰。进一步的¹³C NMR及二维[¹H,¹³C] NMR同样未见低摩尔质量杂质信号，说明溶剂和副产物已被有效清除。其他rPEG样品的¹H NMR结果也一致支持ASP后样品达到高纯度。

Molar mass distribution and integrity after purification
MALDI-ToF MS和SEC结果表明，ASP不会明显改变rPEG的组成和摩尔质量分布。纯化前后检测到的主要聚合物物种保持一致，未见显著的非预期分级或降解现象。某些粗样品在MALDI-ToF MS中出现的附加峰可归因于对离子，而这些峰在纯化后消失。SEC洗脱曲线比较进一步显示，纯化后样品未发生峰形展宽，表明ASP不会损害聚合物结构完整性。部分样品纯化后分散系数?略有降低，研究人员认为这主要源于少量低摩尔质量聚合物留在水相中，反映ASP对低聚物具有一定去除作用，而非聚合物主链受损。

Removal of ionic residues
离子残留分析进一步突出了ASP的优势。AAS对代表性样品rPEG1230.51的检测显示，与Celite过滤或透析相比，ASP可显著降低样品中的钾含量。样品外观也与此相符：ASP纯化后的样品颜色更浅，而透析和Celite处理样品颜色更明显。研究人员据此指出，离子残留如钾离子可能与聚醚链端发生相互作用并导致着色。由此可见，ASP不仅能去除溶剂和小分子杂质，还能有效清除无机离子残基，这对于高纯度聚醚材料的制备尤为重要。

Residual ammonium and method safety
针对ASP可能引入铵残留的问题，研究人员采用经改良的靛酚蓝（Berthelot）法进行了定量分析。结果显示，ASP纯化样品中的铵含量并未高于粗样品、透析样品或Celite过滤样品，说明该纯化流程不会带来不利的残余铵污染。这一结果增强了ASP作为实际后处理技术的可接受性，也说明其盐析介质在后续萃取和干燥步骤中能够被充分移除。

Applicability to other organic solvents
除DMSO外，研究人员还考察了ASP对其他有机溶剂体系的适用性。以rPEG1230.51为代表，当聚合物溶于DMSO、DMF、乙醇和甲醇等与水互溶的有机溶剂时，均可实现直接ASP纯化。对于其他包括非水互溶溶剂在内的体系，ASP仍可用于杂质去除，但需要在纯化前对溶剂进行部分或完全脱除。该结果表明，ASP的适用范围并不局限于单一反应介质，而具备向更广泛有机体系拓展的潜力。

总体而言，该研究证明硫酸铵沉淀法（ASP）是一种直接、快速且低成本的聚合物后处理方案，能够从有机溶液中高效纯化不同摩尔质量范围的rPEG，包括无定形和半结晶样品。研究结果表明，ASP可在保持聚合物摩尔质量分布和结构完整性的前提下，有效去除高沸点溶剂、小分子杂质及离子残留，并获得较高分离收率。相较于透析和色谱等传统方法，ASP在操作便利性、成本和材料保留方面具有明显优势。论文讨论部分强调，虽然本研究以rPEG和DMSO体系为模型，但结果强烈提示该方法可推广至其他亲水性聚合物，如聚<2-噁唑啉>（POx）、聚甘油（PG）、聚乙烯吡咯烷酮（PVP）、聚丙烯酰胺（PAAm）及多糖材料，也可适用于其他水溶性有机溶剂环境。因此，该工作不仅为难纯化柔性亲水聚合物提供了新的工艺思路，也为高纯度生物医用高分子和工业聚合物的制备提供了具有普适潜力的技术基础。

结论部分可译为：研究人员表明，ASP后处理为从有机溶液中纯化rPEG提供了一种直接、快速且具成本效益的方法，适用于宽广摩尔质量范围内的材料，包括无定形和半结晶聚合物。结果证明，ASP后处理能够在保持聚合物摩尔质量分布和结构完整性的同时，有效去除（高沸点）溶剂、小分子杂质和离子残留，并在分离后获得较高收率。尽管本研究以rPEG为模型体系、以DMSO为极性溶剂，结果仍强烈表明ASP后处理可广泛适用于其他亲水性聚合物，如POx、PG、PVP、PAAm和多糖，以及其他水溶性有机溶剂体系。相关内容将在后续研究中进一步考察。总之，本研究结果表明，ASP后处理是一种高度通用且高效有力的技术，在学术研究和工业应用中的聚合物纯化方面具有重要潜力，例如可用于高纯度生物医学材料的制备。